Dopo la trattazione delle generalità del genoma dei batteriofagi (https://www.microbiologiaitalia.it/2018/09/25/il-genoma-fagico-generalita/) e dei cicli vitali litico e lisogenico (https://www.microbiologiaitalia.it/2018/10/09/i-meccanismi-di-replicazione-dei-genomi-fagici/), verranno descritti di seguito i meccanismi che regolano l’espressione dei geni implicati nel ciclo litico dei fagi.
Collettivamente, i batteriofagi si appropriano degli apparati replicativo, trascrizionale e traduzionale del batterio ospite per esprimere i propri geni. Dunque, oltre ai geni deputati sia alla formazione dell’involucro proteico che protegge l’acido nucleico virale sia alla composizione della struttura di adesione la quale consente il contatto tra il fago e la superficie della cellula batterica ospite – evento precursore del passaggio, attraverso la coda, del genoma virale nella cellula ospite -, il virus deve possedere anche i geni che assicurano la replicazione del DNA fagico piuttosto che la replicazione batterica.
È evidente che l’espressione di tali geni deve necessariamente influenzare le fasi iniziali della replicazione e della trascrizione, implicando, talvolta, l’introduzione degli enzimi DNA polimerasi e RNA polimerasi alternativi. D’altra parte, la traduzione dell’mRNA fagico in proteine può avvenire sull’apparato traduzionale batterico.
L’espressione genica che determina lo sviluppo del ciclo litico del fago segue un percorso temporale ben definito, che assicura la presenza dei componenti richiesti al momento giusto.
Al fine di comprendere al meglio lo sviluppo e la regolazione del ciclo litico, è utile distinguere in quest’ultimo due fasi di infezione: l’infezione precoce e l’infezione tardiva.
La fase di infezione precoce riguarda il periodo che intercorre tra l’ingresso del DNA fagico nel batterio ospite e l’inizio della sua replicazione nella cellula batterica; in questa fase, vengono espressi i geni che sintetizzano per gli enzimi coinvolti nella produzione e nella ricombinazione del DNA. L’infezione tardiva, invece, concerne il periodo che intercorre tra il completamento del processo di replicazione e la lisi della cellula batterica che consente il rilascio della progenie fagica; durante questa fase si verifica l’espressione dei geni che sintetizzano sia le proteine strutturali delle particelle fagiche sia le proteine deputate all’assemblaggio delle stesse componenti proteiche strutturali della particella fagica.
Dopo l’assemblaggio delle proteine strutturali, il genoma replicato si inserisce nella testa dei fagi e, in seguito all’aggiunta della coda, la cellula batterica ospite viene lisata.
- La regolazione del ciclo litico di T4
Come è avvenuto durante la descrizione della distinzione tra ciclo litico e ciclo lisogenico (https://www.microbiologiaitalia.it/2018/10/09/i-meccanismi-di-replicazione-dei-genomi-fagici/), verrà fatto riferimento, per trattare del ciclo litico, al genoma del fago T4.
Il genoma del fago T4 è costituito da DNA a doppio filamento, è lungo 168 Kb ed è organizzato in grossi gruppi funzionali di geni.
I geni che per primi vengono espressi, detti geni precoci, sono trascritti dall’RNA polimerasi del batterio ospite. Durante questa fase vengono espresse due proteine attivatrici della trascrizione della classe successiva di geni (detti geni intermedi oppure anche geni precoci ritardati), AsiA e MotA. Poiché i promotori dei geni intermedi sono privi della sequenza consenso -35 ma sono dotati di una sequenza di riconoscimento per MotA, quest’ultima favorisce il legame dell’enzima RNA polimerasi al DNA per l’espressione dei geni tardivi.
Inoltre, nella regolazione a cascata del ciclo litico di T4, il gene attivo espresso nella fase precoce può essere regolatore dell’espressione dei geni della fase tardiva. Il gene regolatore può esprimere per un fattore σ alternativo che modifica la specificità dell’RNA polimerasi del batterio ospite oppure può sintetizzare un fattore antiterminatore: poiché i geni precoci sono adiacenti ai geni tardivi e poiché sono separati da questi ultimi dai siti terminatori, il sequestro dei siti terminatori da parte di un fattore antiterminatore permette all’enzima RNA polimerasi di continuare la trascrizione favorendo l’espressione dei geni della fase di infezione tardiva.
Maria Chiara Langella
Fonti: Il gene X. B. Lewin, J. E. Krebs, E. S. Goldstein, S. T. Kilpatrick. Zanichelli. 2016. Pagine 700 – 705.
Bacteriophage T4 MotA and AsiA proteins suffice to direct Escherichia coli RNA polymerase to initiate transcription at T4 middle promoters. M. Ouhammouch, K. Adelman, S. R. Harvey, G. Orsini, E. N. Brody. PNAS. 1995 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC42537/
Immagine in evidenza: Fineartamerica https://fineartamerica.com/featured/6-bacteriophage-t4-artwork-russell-kightley.html
